Uaktualniona koncepcja przygotowywanej dysertacji

Koszalin 10.04.2017r.
mgr inż. Jacek Kaczmarek
ul. Holenderska 20E
75-430 Koszalin
Uaktualniona koncepcja przygotowywanej dysertacji
„Analiza porównawcza cyfrowych metod sterowania przetwornicą DC/DC”
Wprowadzenie
1. Czym są przetwornice DC/DC, dlaczego się je stosuje?
2. Zalety i wady przetwornic DC/DC.
3. Rozwój konstrukcji przetwornic DC/DC (nowoczesne elementy elektroniczne
o ulepszonych parametrach, nowe metody działania układu sterowania).
4. Obszar zainteresowania zawężono do przetwornic DC/DC wykorzystujących
w układach sterowania modulację PWM, wyjście bez izolacji galwanicznej,
a w rozważaniach posłużono się przykładem przetwornicy Buck.
5. Nowe rozwiązania przetwornic wymuszone są rosnącymi wymaganiami
stawianymi ich parametrom. Problemy konstrukcyjne skłaniają konstruktorów
do poszukiwania nowych sposobów sterowania.
W każdym urządzeniu elektronicznym występuje układ zasilania, którego zadaniem
jest dostosowanie napięcia wyjściowego do potrzeb zasilanego urządzenia. Rozwój techniki
oraz świadomości ekologicznej wymusza postęp w dziedzinie budowy układów zasilania.
Muszą one spełnić szereg wymagań, szczególnie istotne są między innymi: wysoka
sprawność energetyczna, małe wymiary i ciężar układu zasilania. Bardzo często w układach
zasilania konieczna jest zamiana wartości stałego napięcia zasilającego urządzenie, do tego
celu służy przetwornica prądu stałego (DC/DC). Przetwornica prądu stałego składa się z
dwóch elementów: bloku głównego przetwornicy oraz układu sterującego pracą bloku
głównego. Budowa bloku głównego zapewnia spełnienie wszystkich wyżej wymienionych
wymagań stawianych układom zasilania. Wadą bloku głównego przetwornicy jest wrażliwość
napięcia wyjściowego na zmiany punktu pracy przetwornicy. Głównym zadaniem układu
sterującego pracą bloku głównego jest zapewnienie stałej wartości napięcia wyjściowego
bloku głównego niezależnie od zmian punktu pracy. Największy wpływ na zmianę napięcia
wyjściowego bloku głównego przetwornicy mają zmiany napięcia zasilającego blok główny
oraz zmiany obciążenia przetwornicy. Choć przetwornice prądu stałego znane są od początku
lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku to nadal rozwijane są techniki budowy bloku
głównego oraz sposoby sterowania jego pracą. Rozwój urządzeń mobilnych, procesorów,
źródeł odnawialnych, sprawia, że zmieniają się i rosną wymagania stawiane przetwornicom
prądu stałego. Powszechnie stosowaną grupą przetwornic są podstawowe przetwornice prądu
stałego (Buck, Boost, Buck-Boost) bez izolacji galwanicznej napięcia zasilającego,
wykorzystujące modulację PWM. Przetwornice prądu stałego były do niedawna sterowane
wyłącznie przez układy analogowe, obecnie coraz bardziej powszechnie wykorzystuje się
cyfrowe układy sterujące pracą bloku głównego. Bardzo poważnym ograniczeniem
możliwości wykorzystania najnowszych i zaawansowanych cyfrowych metod sterowania,
stosowanych w automatyce, jest koszt układu cyfrowego. Z tego względu np. nowoczesne
metody adaptacyjne nie są wykorzystywane w komercyjnych zastosowaniach przetwornic
DC/DC.
Sformułowanie problemu
1. Ocena różnych konstrukcji przetwornic DC/DC pod kątem efektywności
układu sterowania oraz parametrów stabilizacji napięcia wyjściowego.
2. Propozycje poprawy parametrów pracy za pomocą:
a) lepszego doboru transmitancji układu sterowania (klasyczne
rozwiązanie – sterowanie napięciowe i prądowe),
b) zastosowanie algorytmów SARA do przejścia z dziedziny s na z,
c) autorski pomysł wykorzystujący zasadę zachowania energii – Trzmiel.
Każdy sposób sterowania przetwornicą DC/DC powinien zapewnić stabilność i skuteczne
tłumienie wpływu zmian punktu pracy przetwornicy na stabilizowane napięcie wyjściowe
bloku głównego. Pomimo nieustannego rozwoju metod sterowania i układów
elektronicznych, zarówno sterowanie w technice analogowej jak i cyfrowej, jest w praktyce
realizowane za pomocą klasycznej metody sprzężenia zwrotnego. Powszechnie stosowanym
sposobem doboru transmitancji analogowego układu sterowania jest wykorzystanie wykresów
Bodego transmitancji otwartej pętli sprzężenia zwrotnego. Najczęściej stosowanym sposobem
kształtowania transmitancji cyfrowego układu sterowania jest wykorzystanie tzw. prototypu
analogowego. Najpierw, wykorzystując w identyczny sposób wykresy Bodego kształtuje się
transmitancję analogowego układu sterującego pracą przetwornicy, następnie dokonuje się
transformacji opisu z dziedziny s w dziedzinę z. W ten sposób otrzymuje się dyskretną
transmitancję układu sterującego pracą przetwornicy. Kształtując w ten sposób transmitancję
cyfrowego układu sterującego pracą przetwornicy istotne stają się dwa zagadnienia:


doboru transmitancji prototypu analogowego,
sposobu przejścia z dziedziny s na z.
Coraz szersze zastosowanie procesorów w powszechnie stosowanych urządzeniach
elektronicznych wymusza poprawę jakości stabilizowanego napięcia wyjściowego w
przypadku gwałtownych zmian poboru mocy. Bardzo istotny staje się dobór transmitancji
układu sterowania tak, by zapewnić skuteczne tłumienie wpływu zmian obciążenia
przetwornicy na stabilizowane napięcie wyjściowe. Wykorzystując tzw. prototyp analogowy
cyfrowego układu sterowanie bardzo ważnym zagadnieniem jest przejście z dziedziny s na z.
Przekształcenia to powinno zapewnić jak najdokładniejsze odwzorowanie pierwowzoru
analogowej transmitancji i jak najmniejszą złożoności numeryczną otrzymanej dyskretnej
transmitancji układu sterowania. Powszechnie wykorzystuje się do tego celu przekształcenie
matched, choć lepszą dokładność zapewnia przekształcenie biliniowe. Powodem jest to, że
transmitancja dyskretna układu sterowania otrzymana za pomocą metody matched jest mniej
złożona numerycznie w porównaniu do cyfrowej transmitancji otrzymanej za pomocą
przekształcenia biliniowego. Dla szeroko stosowanej metody tzw. prototypu analogowego
poprawę właściwości stabilizowanego napięcia wyjściowego dla cyfrowego układu
sterowania można osiągnąć poprzez:


zmianę kryterium kształtowania transmitancji prototypu analogowego układu
sterowania za pomocą wykresów Bodego,
wykorzystanie półanalitycznych algorytmów splotowych SARA do transformacji
opisu z dziedziny s w dziedzinę z.
Na podstawie literatury naukowej poświęconej sterowaniu przetwornic DC/DC można
stwierdzić, że proponowane ulepszenia nie rozwiązują problemu stabilizacji napięcia
wyjściowego przy dużych zmianach obciążenia przetwornicy. By uzyskać dalszą poprawę
stabilizacji napięcia wyjściowego przetwornicy niezbędne jest uwzględnienie zmian
obciążenia przetwornicy w sposobie działania układu sterowania. W obecnie stosowanych
rozwiązaniach zmiana obciążenia przetwornicy jest traktowana jak zakłócenie. Układ
sterowania reaguje dopiero na zmianę napięcia wyjściowego spowodowaną zmianą
obciążenia przetwornicy. Ujęcie w opisie matematycznym układu sterowania obciążenia
przetwornicy pozwoli na skrócenie czasu reakcji układu sterowania i zmniejszy zmiany
napięcia wyjściowego pod wpływem zmian obciążenia przetwornicy. W tym celu autor
opracował sposób sterowania pracą przetwornicy oparty o zasadę zachowania energii.
Wykorzystując zasadę zachowania energii do stabilizacji napięcia wyjściowego przetwornicy
w opisie matematycznym układu sterowania uwzględnia się praktycznie wszystkie czynniki
wpływające na zmiany napięcia wyjściowego. Przeprowadzone badania symulacyjne oraz
testy pierwszego prototypu wstępnie potwierdziły zalety proponowanego rozwiązania. W
publikacjach autora proponowane rozwiązanie otrzymało nazwę Trzmiel.
Cele pracy doktorskiej:
1. Wykazanie, iż możliwe jest zmniejszenie zmian vo pod wpływem zmian RO dla
metody napięciowej oraz prądowej, poprzez:
a) dobór transmitancji sterowania,
b) zastosowanie w procesie projektowania przetwornicy DC/DC
algorytmów SARA do przejścia z dziedziny s (prototyp analogowy) na
dziedzinę z (układ cyfrowy).
2. Opracowanie prototypu przetwornicy DC/DC zbudowanej wg autorskiego
pomysłu wykorzystującego zasadę zachowania energii. Zweryfikowanie tego
rozwiązania za pomocą badań symulacyjnych oraz pomiarów rzeczywistych
parametrów pracy prototypu przetwornicy DC/DC.
Pierwszym celem pracy jest sprawdzenie czy proponowane zmiany w tzw. metodzie
prototypu analogowego zapewnią:


lepszą skuteczność tłumienia wpływu zmian obciążenia przetwornicy na napięcie
wyjściowe cyfrowo sterowanej przetwornicy,
nie zwiększą złożoności numeryczna dyskretnej transmitancji układu sterowania.
Drugim celem pracy jest weryfikacja idei stabilizacji napięcia wyjściowego przetwornicy
pośrednio, za pomocą wykorzystania zasady zachowania energii. Proponowany sposób
działania układu sterującego pracą przetwornicy planuje się zbadać symulacyjnie oraz
poprzez rzeczywiste pomiary właściwości prototypu przetwornicy Buck. Na zakończenie prac
przewiduje się porównanie właściwości obu metod sterowania pracą przetwornicy.
Tezy dysertacji
1. Można poprawić tłumienie wpływu RO na vo za pomocą:
a) wykorzystanie metod efektywniejszego doboru HS,
b) zastosowanie algorytmów SARA.
2. Przetwornica DC/DC zbudowana wg autorskiego pomysłu wykorzystującego
zasadę zachowania energii może stanowić alternatywę do obecnie stosowanych
metod sterowania napięciowego i prądowego.
W powszechnie stosowanej metodzie doboru transmitancji układu cyfrowego
sterującego pracą przetwornicy DC/DC za pomocą tzw. prototypu analogowego
wprowadzenie:


zmian w kryterium kształtowania transmitancji otwartej pętli sprzężenia
zwrotnego przetwornicy za pomocą wykresów Bodego,
algorytmów SARA do transformacji opisu z dziedziny s w dziedzinę z,
pozwoli na:



zwiększenie skuteczności tłumienia wpływu zmian obciążenia przetwornicy na
stabilizowane napięcie wyjściowe przetwornicy,
dokładniejsze odwzorowywanie przez dyskretną funkcję transmitancji układu
cyfrowego wzorcowej transmitancji analogowego prototypu układu sterującego pracą
przetwornicy,
zachowanie lub redukcję złożoności numerycznej dyskretnej funkcji transmitancji
układu sterowania.
Wykorzystanie zasady zachowania energii do stabilizacji napięcia wyjściowego
przetwornicy DC/DC może stanowić alternatywę dla obecnie powszechnie stosowanych
technik stabilizacji napięcia wyjściowego przetwornicy.
Koncepcja autorskiego rozwiązania układu sterowania
1) Można poprawić tłumienie wpływu RO na vo za pomocą:
a. Lepszego doboru HS – określenie wymagań dla HS na podstawie np.
impedancji wyjściowej przetwornicy lub transmitancji Hg modelu
opracowanego przez prof. W. Janke.
b. Algorytmów SARA – dokładniejsze odwzorowanie transmitancji analogowej
przez otrzymaną dyskretną funkcję transmitancji. Nie spowoduje to
zwiększenia złożoności numerycznej otrzymanej funkcji w porównaniu do np.
metody bilenear
2) Wykorzystanie do sterowania zasady zachowania energii pozwala na całościowe
ujęcie w sposobie działania regulatora wszystkich czynników wpływających na
przetwornicę. Żadna inna metoda tego nie robi. Wiąże się to z koniecznością
większej ilości obliczeń, dodatkowego układu pomiarowego itp.
Zmniejszenie wrażliwości napięcia wyjściowego przetwornicy DC/DC sterowanej
cyfrowo na zmianę obciążenia przetwornicy jest możliwe poprzez:


Uwzględnienie właściwości impedancji wyjściowej przetwornicy w czasie
kształtowania transmitancji otwartej pętli sprzężenia zwrotnego przetwornicy za
pomocą wykresów Bodego. By wykorzystać wykresy Bodego do kształtowania
transmitancji układu sterującego pracą bloku głównego niezbędne jest wykorzystanie
modelu małosygnałowego bloku głównego przetwornicy. Powszechnie stosowane
modele małosygnałowe bloku głównego przetwornicy nie uwzględniają wpływu
zmiany obciążenie przetwornicy na napięcie wyjściowe bloku głównego. Z tego
powodu zostanie wykorzystany model małosygnałowy bloku głównego opracowany
przez prof. W. Janke. Stworzony przez prof. W. Janke model małosygnałowy bloku
głównego uwzględnia wpływ zmian konduktancji obciążenia przetwornicy na
zmienne stanu bloku głównego.
Wykorzystanie półanalitycznych algorytmów splotowych SARA do przekształcenia
prototypu transmitancji analogowej układu sterowania w dyskretną transmitancję.
Wykorzystanie zasady zachowania energii do opisu matematycznego sposobu działania
układu sterującego pracą przetwornicy DC/DC pozwala między innymi na uwzględnienie
wpływu zmian obciążenia przetwornicy na napięcie wyjściowe bloku głównego przetwornicy.
Dzięki temu układ sterowania może wcześniej reagować na zmiany punktu pracy bloku
głównego przetwornicy w porównaniu do powszechnie stosowanych sposobów stabilizacji
napięcia wyjściowego przetwornicy. Powinno to przełożyć się na zmniejszenie wpływu zmian
punktu pracy bloku głównego na stabilizowane napięcie wyjściowe blok głównego
przetwornicy.
Postępy w pracy doktorskiej
Prace zakończone:
1. Zebranie i przegląd literatury naukowej omawiającej zagadnienia związane ze
sterowaniem przetwornicami DC/DC.
2. Opis pracy bloku głównego przetwornicy z uwzględnieniem kształtu prądu cewki
w stanie ustalonym (CCM, DCM).
3. Analiza technik sterowania pracą bloku głównego:
o technika napięciowa (VCM),
o technika prądowa (CCM).
4. Zalety i wady różnych typów modulacji np.: PWM, stały czas fazy ON stosowanych
do przełączania elementów aktywnych bloku głównego przetwornicy.
5. Właściwości metod projektowania układu sterowania:
 Klasyczne – wykorzystujące w opisie matematycznym zmienne stanu
lub transmitancję do doboru pętli sprzężenia zwrotnego. Dobór
parametrów transmitancji układu sterownia:
 w dziedzinie częstotliwości za pomocą wykresów Bodego,
 w dziedzinie Laplace’a – root locus technicue,
 w dziedzinie czasu.
 Nowoczesne:
 optymalne
 adaptacyjne
 regulatory odporne (roubust)
 algorytmy genetyczne
 sieci neuronowe
 logika rozmyta
6. Dobór transmitancji dyskretnego układu sterowania dla przetwornicy sterowanej
metodą napięciowej za pomocą tzw. prototypu analogowego dla przetwornicy
sterowanej techniką napięciową (VCM).
7. Wykorzystanie klasycznych sposobów przekształcenia transmitancji analogowej w
dyskretną transmitancję – przekształcenia zoh, foh, mathed, bilinar.
8. Wykorzystanie algorytmów SARA do przekształcenia transmitancji analogowej w
dyskretną transmitancję.
9. Wykorzystanie zasady zachowania energii do stabilizacji napięcia wyjściowego
przetwornicy Buck.
10. Badania symulacyjne (pakiet Matlab Simulink) przetwornicy DC/DC wykorzystującej
zasadę zachowania energii do stabilizacji napięcia wyjściowego.
11. Zbudowano pierwszy prototyp przetwornicy Buck sterowanej według pomysłu autora
- projekt Trzmiel.
Obecnie trwają prace nad:

Kształtowaniem transmitancji układu sterującego pracą bloku głównego przetwornicy
realizowaną w technice prądowej (CCM).


Potwierdzeniem zmniejszenia wrażliwości napięcia wyjściowego przetwornicy
sterowanej cyfrowo na zmianę obciążenia przetwornicy poprzez wykorzystanie:
o zmodyfikowanego kryterium kształtowania transmitancji prototypu
analogowego układu sterowania
o stosując algorytmy SARA przekształcenia transmitancji prototypu
analogowego do otrzymania dyskretnej transmitancji układu sterowania.
Rozwój projektu Trzmiel:
o udoskonalenie opisu matematycznego,
o adaptację metody pod kątem implementacji w technice: analogowej, cyfrowej
oraz mieszanej,
o budowę nowego prototypu przetwornicy DC/DC (Buck) sterowanej metodą
Trzmiel
Termin ukończenia pracy doktorskiej
Z uwagi na zmodyfikowany cel i tezy pracy doktorskiej, które m.in. wymagają zbudowania
i przebadania prototypu autorskiego rozwiązania przetwornicy DC/DC przewidywany termin
zamknięcia przewodu doktorskiego: 2020 r.
Koszalin 10.04.2017r.
mgr inż. Jacek Kaczmarek
ul. Holenderska 20E
75-430 Koszalin
Wykaz publikacji
[1]
J. Kaczmarek, „Przetwornica Buck sterowana metodą napięciową - dobór
transmitancji analogowego układu sterowania”, Zeszyty Naukowe Wydziału
Elektroniki i Informatyki Politechniki Koszalińskiej., t. 10. ss. 95–118, 2016.
[2]
J. Kaczmarek, „Small-signal model of BumbleBee output voltage controller for
DC/DC Converter. Stability analysis of BumbleBee method”, Przegląd
Elektrotechniczny, t. R.86, nr 11a, ss. 232–236, 2010.
[3]
J. Kaczmarek, „Small-signal model of bumbleBee output voltage controller for
DC/DC converter”, w 2009 MIXDES-16th International Conference Mixed Design of
Integrated Circuits & Systems, 2009, ss. 571–576.
[4]
J. Kaczmarek i A. Mazurek, „Measurement results of buck converter prototype
digitally controlled by algorithm using law of conservation of energy - project
Bumblebee”, w 2008 15th International Conference on Mixed Design of Integrated
Circuits and Systems, 2008, ss. 525–530.
[5]
J. Kaczmarek i A. Mazurek, „Badanie prototypu cyfrowo sterowanej przetwornicy
DC/DC z wykorzystaniem algorytmu „Bumblebee”, w VII Krajowa Konferencja
Elektroniki, 2008, ss. 58–62.
[6]
J. Kaczmarek i A. Mazurek, „Porównanie nowej metody sterowania przetwornicami
DC/DC z metodą sterowania wykorzystująca kontrolę prądu cewki”, Elektron. Konstr.
Technol. …, t. 48, nr 11, ss. 84–86, 2007.
[7]
J. Kaczmarek i A. Mazurek, „Comparison of classic DC/DC converters with
converters equipped with analog-digital regulator based on law of conservation of
energy (bumblebee type)”, w 2007 14th International Conference on Mixed Design of
Integrated Circuits and Systems, 2007, ss. 564–569.
[8]
J. Kaczmarek i A. Mazurek, „Compensation of Calculations Duration on Converters
Output Voltage in Digitally Controled Converters Based on Law of Conservation of
Energy - Project Bumblebee”, w 2007 14th International Conference on Mixed Design
of Integrated Circuits and Systems, 2007, ss. 412–417.
[9]
J. Kaczmarek i A. Mazurek, „New Concept of DC/DC Converters Digital Control
Based on Law of Conservation of Energy - Project «Bumblebee»”, w 2007 14th
International Conference on Mixed Design of Integrated Circuits and Systems, 2007,
ss. 586–591.
[10]
J. Kaczmarek i A. Mazurek, „Wpływ czasu obliczeń algorytmu w nowej metodzie
sterowania napięciem wyjściowym przetwornicy DC/DC”, w VI Krajowa Konferencja
Elektroniki, 2007.
[11]
J. Kaczmarek i A. Mazurek, „Nowa koncepcja cyfrowego sterowania przetwornicami
DC/DC”, w VI Krajowa Konferencja Elektroniki, 2007.
[12]
J. Kaczmarek i A. Mazurek, „Nowa idea sterowania przetwornicami DC/DC”,
Elektron. Konstr. Technol. …, t. 48, nr 11, ss. 114–117, 2007.
[13]
J. Kaczmarek i A. Mazurek, „Porównanie nowej metody sterowania przetwornicami
DC/DC z metodą sterowania wykorzystująca kontrolę prądu cewki”, w VI Krajowa
Konferencja Elektroniki, 2007.
[14]
T. Borowski, J. Kaczmarek, J. Kraśniewski, M. Oleksy, i T. Hryniewicz, „Synthesis
of, and electrochemical studies on conductances in rubber + NaClO4 + activated
carbon systems”, Przem. Chem., t. 8, ss. 607–610, 2005.
[15]
T. Borowski, J. Kaczmarek, J. Kraśniewski, i M. Oleksy, „Conductance of solid
polymeric electrolytes in the system: butadiene rubber + NaClO4 + active carbon”,
Stowarzyszenia Inżynierów i Tech. Przem. Chem. „CHEMIK”, t. 11, ss. 447–450,
2004.
[16]
J. Kaczmarek i Z. Ociepa, „Projekt sterownika programowalnego do pomiaru zużycia
energii elektrycznej i wody”, Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej, Elektryka. ss.
389–396, 2001.
Stypendium dla doktorantów na badania naukowe:
[1]
Projekt „Inwestycja w wiedzę motorem rozwoju innowacyjności w regionie - II edycja”
współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu
Społecznego i Budżetu Państwa Poddziałanie 8.2.2 Programu Operacyjnego Kapitał
Ludzki 2007-2013.
Jacek Kaczmarek